Мороз: откуда он берется и почему переносится по-разному в разных регионах

Мы привыкли мерить мороз градусами на термометре, но редко задумываемся о том, откуда вообще приходит стужа. И почему, когда в одних регионах можно комфортно гулять при -20 °C, в других температура -5 °C вызывает нестерпимое желание поскорее вернуться домой и укутаться в плед. Чтобы ответить на эти и другие популярные вопросы, мы погрузимся в «кухню» морозной погоды, узнаем, какие факторы влияют на ощущение холода, и отправимся в места, где термометр опускается до рекордно низких отметок.

Что такое мороз

С наступлением морозов живая природа переходит в режим «энергосбережения»: внутри стволов и стеблей растений заблаговременно прекращается движение соков, некоторые животные впадают в спячку, а другие стараются минимизировать свои движения, чтобы не тратить драгоценные калории.

В метеорологический терминологии мороз — это состояние атмосферы, при котором температура воздуха опускается ниже 0 °C. Как известно, именно при такой температуре вода начинает переходить из жидкого состояния в твердое и превращаться в лед. И хотя официальной шкалы классификации морозов, так или иначе привязанной к температуре, не существует, условно мы можем выделить четыре основные категории мороза.

• Легкий мороз: от -1 до -10 °C. Это время комфортной зимы, подходящей для прогулок на свежем воздухе. Вода уже замерзла, но воздух остается мягким и относительно приятным.
• Средний мороз: от -11 до -20 °C. При такой температуре воздух становится «кусачим», а под ногами слышится характерный скрип снега. Мороз начинает активнее забирать влагу из кожи, после долгой прогулки на морозе на открытых участках тела появляются покраснения, ощущения покалывания и стянутости.
• Сильный мороз: от -21 до -30 °C. Это порог, после которого физика воздуха начинает сильно влиять на окружающие предметы. Металл становится более хрупким, пластик — менее гибким, а автомобили заводятся с трудом. Для человека это зона серьезной опасности, так как при сильном ветре незащищенные участки кожи можно обморозить всего за 10–15 минут.
• Экстремальный мороз: ниже -30 °C. При столь низкой температуре природа буквально замирает. Птицы перестают летать, чтобы беречь энергию, а животные по возможности не покидают своих теплых убежищ. Воздух становится очень плотным, и почти любое испарение превращается в ледяной туман.

Почему зимой становится холодно

Глобально за ежегодный приход зимы и холодной погоды отвечает небесная механика. Интуитивно может показаться, что Земля получает меньше тепла, потому что периодически удаляется от Солнца, но это не так. Наша планета действительно имеет не совсем круговую, а эллиптическую орбиту, и расстояние от нее до Солнца меняется, но по космическим меркам эта разница несущественна.

Главная причина зимнего холода — это наклон земной оси относительно орбиты. Наша планета летит сквозь пространство слегка «на боку», под углом примерно в 23,5°. Из-за этого почти фиксированного наклона Земля «подставляет» ближе к Солнцу то одну свою часть, то другую. Зимнее охлаждение происходит по трем основным причинам.

• Угол падения солнечных лучей. Летом Северное полушарие оказывается наклонено в сторону светила, и его лучи падают на поверхность прямо и сфокусировано. Зимой же происходит обратная ситуация. Солнце едва поднимается над горизонтом, из-за чего лучи падают под острым углом, будто скользят по поверхности. Представьте, что вы светите фонариком на стену в упор — пятно получится круглым и ярким. Но если наклонить фонарь, свет распределится по большей площади и станет бледнее.
• Влияние атмосферы. Так как солнечные лучи падают под наклоном, они проходят воздушный слой наискосок, а не сверху вниз, как это происходит летом. Поэтому их путь сквозь относительно плотную земную атмосферу становится длиннее. Толща воздуха забирает значительную часть и без того ослабевшей энергии, рассеивая и поглощая солнечное излучение. В результате до твердой оболочки доходят лишь крохи тепла.
• Изменчивая продолжительность дня и ночи. Мы хорошо знаем, что зимой светлое время суток становится очень коротким, похожим скорее на небольшую передышку во время всепоглощающей ночи. Смещение восходов и закатов происходит все из-за того же осевого наклона. Таким образом, у наших средних и высоких широт остается совсем мало времени, чтобы согреться, и крошечные запасы тепла теряются долгими ночами.

Как формируется морозная погода

В то время как глобальные условия для зимы создаются в космосе, на локальном уровне за наступление морозов отвечает погода. В метеорологии этот процесс называют радиационным выхолаживанием. Днем Земля ловит солнечные лучи и согревается, но с наступлением сумерек она начинает излучать тепло обратно в космос, то есть остывает. При этом на интенсивность выхолаживания напрямую влияют несколько факторов: количество облаков, сила ветра и влажность воздуха. Воздействие каждого из них на температуру и ощущение холода мы еще разберем немного подробнее.

Откуда приходят сильные морозы

Наша атмосфера циркулирует, то есть воздух находится в постоянном движении. Главными «поставщиками» морозов в нашей стране выступают полярные и субполярные регионы: Арктика и бескрайние просторы северных широт Сибири. Над ними воздух почти полностью высыхает и остывает до критических значений. В результате образуются антициклоны — обширные области высокого давления.

Обычно эти арктические массы удерживаются на Крайнем Севере приполярным вихрем. Это кольцо стремительных западных ветров, дующих на большой высоте, работает как невидимая блокирующая стена. Но время от времени этот вихрь ослабевает, и его ровная круговая форма нарушается. Кольцо изгибается гигантскими волнами, из-за чего образуются отдельные «рукава». Эти атмосферные течения увлекают за собой полярный холод, благодаря чему он беспрепятственно проникает на юг, и в средние широты приходят аномальные морозы.

Почему ясной ночью мороз усиливается

Многие замечали, что стоит зимнему небу очиститься от облаков, как столбики термометров начинают опускаться вниз. Главным «архитектором» мороза здесь выступает уже упомянутый нами антициклон. Он представляет собой огромный вихрь, в центре которого холодные воздушные массы опускаются, параллельно сжимаясь и нагреваясь. В таких условиях облака рассеиваются — водяной пар попросту не может конденсироваться в капельки воды.

В результате из-за антициклона в полной мере проявляется радиационное выхолаживание. Облака во многом отвечают за создание парникового эффекта. Будто гигантское «одеяло», они задерживают идущее от поверхности тепловое излучение. Когда антициклон «убирает» облачность, тепло от остывающей Земли беспрепятственно улетучивается в пустоту космоса. Сама земная поверхность становится ледяной и начинает интенсивно охлаждать приземный слой воздуха. Будучи плотным и тяжелым, он не улетучивается, и мороз крепчает с каждым часом.

Как ветер влияет на ощущение холода

Иногда термометр показывает вполне приемлемые -5 °C, но на улице мы замерзаем за считанные минуты. Часто «виноват» в этом оказывается ветер. Сам по себе он не делает воздух холоднее, и более того, ветер способствует перемешиванию воздушных слоев и временами приносит с собой более теплый воздух. Однако он кардинально меняет то, как воспринимает мороз наше тело. Оно постоянно выделяет тепло, и в безветренную погоду вокруг кожи образуется тоненький слой подогретого воздуха. Но когда дует ветер, эта тепловая «защита» улетучивается — организм напрямую контактирует с морозом и оказывается вынужден тратить больше энергии на обогрев.

Чтобы измерить это влияние воздушных потоков на субъективное ощущение мороза, метеорологи используют специальный показатель — ветро-холодовой индекс. Он рассчитывается по сложной математической формуле, которая связывает температуру воздуха со скоростью ветра с помощью специальных коэффициентов. Мы часто видим этот индекс на сайтах и в приложениях с прогнозом погоды, в графе «ощущаемая температура». Так, комфортные при штиле -5 °C на умеренном ветру будут ощущаться уже как -10 °C, а при сильных порывах — даже как -15 °C.

Как влажность влияет на морозную погоду

Жители Сибири часто говорят: «У нас мороз сухой, переносится легко». А петербуржцы наоборот: «А у нас при минус пяти от сырости пробирает до костей». И те, и другие говорят не только о субъективных ощущениях, но и о взаимосвязи физических и биологических процессов.

В общем смысле, влажность — это количество водяного пара в воздухе. Мороз при этом работает как «осушитель» — холодный воздух физически способен удерживать меньше влаги, чем теплый. Поэтому в метеорологии чаще говорят об относительной влажности воздуха — показателе того, насколько сильно воздух насыщен водяным паром по сравнению с максимально возможным значением. В результате даже при -20 °C, когда в одном кубометре воздуха содержится меньше одного грамма воды, относительная влажность все равно может быть очень высокой, порядка 90% и более.

Когда охлажденный воздух достигает предела своего насыщения, водяной пар начинает оседать. Мы можем наблюдать это в таких атмосферных явлениях, как иней, изморозь или ледяной туман. При этом влага делает микроволокна нашей одежды сырыми. Отсыревшие ткани теряют свои теплоизоляционные свойства и начинают активно проводить тепло наружу, будто «выкачивая» его из нашего тела. В результате даже небольшая минусовая температура при высокой относительной влажности, например, вблизи больших незамерзающих рек и водоемов, переносится организмом тяжелее, чем крепкий, но «сухой» мороз.

Как снежный покров влияет на температуру воздуха

Многие замечают, что во время сильного снегопада или сразу после него на улице становится теплее. Чтобы понять, почему так происходит, давайте вспомним, как именно образуется снег на микроскопическом уровне. Вода переходит из газообразного состояния в твердое, и когда молекулы пара объединяются, чтобы сформировать снежинку, они выделяют энергию, то есть тепло, в окружающее пространство. Важно отметить, что снегопады чаще всего приносят с собой циклоны. Эти вихри образуются в южных широтах или над океанами, где воздух заметно теплее.

Однако воздух остается сравнительно более теплым не так уж долго — пока идет снег. Потом циклоны уходят, небо проясняется, а на земле остается устойчивый снежный покров. Благодаря ему сохраняется тепло в почве, и корни растений получают возможность зимовать в комфортных условиях. Но у этой медали есть и обратная сторона — белоснежные поверхности отражают порядка 80–90% солнечного света, не позволяя теплу накапливаться вблизи земной поверхности. Поэтому, когда период снегопадов заканчивается, к нам приходят особенно сильные морозы.

Почему в низинах бывает холоднее

Во время зимних автомобильных путешествий по горной или холмистой местности можно заметить, что на возвышенностях бортовой термометр показывает одну температуру, а внизу, в долинах, — заметно более низкую. Зачастую в одном и том же регионе на разных высотах температура может отличаться на 10 – 15 °C. На первый взгляд это кажется нелогичным, ведь мы привыкли к тому, что высоко в горах обычно холоднее, чем в низинах. Но зимой ситуация может меняться на противоположную, и причина тому — температурная инверсия. Это метеорологическое явление можно разделить на следующие ключевые этапы:

• в ясную безветренную погоду земля остывает быстрее всего, охлаждая и приземный слой воздуха;
• как мы уже знаем, холодный воздух тяжелее теплого, и словно густой кисель, он начинает стекать вниз по склонам;
• в низинах остается только холодный воздух, буквально запертый рельефом окружающей местности;
• в результате формируется инверсионный «слоеный пирог» — в долине стужа, а на склонах и вершинах устанавливается более комфортная погода.

Где в России бывают самые сильные морозы

У иностранцев Россия часто ассоциируется с суровой зимой, но многие из них упускают тот факт, что холод распределяется по территории нашей страны неравномерно. Если в европейской части экстремальные похолодания воспринимаются как кратковременные аномалии, то за хребтом Уральских гор экстремальные морозы, которые задерживаются на много месяцев, являются привычным явлением.

Трескучие морозы характерны для Якутии (прим. ред.: официальное название — Республика Саха) — самого крупного региона нашей страны. В административном центре региона, городе Якутске, средние суточные минимумы температуры в зимние месяцы зачастую достигают -40 °C. При этом некоторые населенные пункты, такие как город Верхоянск или село Оймякон, находятся в низинах и имеют статус «полюсов холода» — районов с невероятно низкими температурами. Столбики термометров там регулярно опускаются ниже отметки в -55 °C.

За пределами Якутии сильные морозы бывают в самых разных регионах, но отдельного упоминания заслуживает Таймыр — полуостров, расположенный на севере Красноярского края. На мысе Челюскин — самой северной точке Таймыра — средние минимумы, как правило, остаются в пределах -30 – -33 °C, однако ситуацию усугубляют ледяные штормовые ветры, приходящие с Северного Ледовитого океана. При этом на юге полуострова, например, в селе Хатанга, господствует резко континентальный климат, и зимняя температура постоянно опускается ниже -45 °C.

Самые сильные морозы в истории метеонаблюдений

Абсолютный температурный антирекорд нашей планеты был зафиксирован в 1983 году на советской станции «Восток» в Антарктиде. В середине июля, когда на Южном полюсе была зима и полярная ночь, на станции в тяжелейших условиях работали 13 ученых, и их приборы зафиксировали умопомрачительные -89,2 °C. Спутниковые наблюдения показали, что локально температура могла опускаться и до -98 °C. Кстати, на основании данных со спутников в 2004 году было объявлено о новом «морозном рекорде» — около японской антарктической станции «Купол Фудзи» температура опустилась до -91,2 °C. Однако, в отличие от данных 1983 года, этот результат был получен косвенным, дистанционным методом, а потому метеорологи считают его некорректным.

Если же говорить о Северном полушарии, на исключительное право считаться «полюсом холода» претендуют сразу три места.

• В 1892 году на метеостанции Верхоянска с помощью спиртового термометра ученые зафиксировали температуру -69,8 °C. Затем эти данные проверили в Главной физической обсерватории Санкт-Петербурга. Исследования показали, что на таком морозе спиртовые термометры занижают показания, поэтому эксперты ввели инструментальную поправку. После перепроверки всех методик за Верхоянском окончательно закрепили температуру -67,8 °C.
• В 1933 году в якутском селе Оймякон была зафиксирована температура -68 °C, но и это значение было впоследствии скорректировано — до -67,7 °C. Согласно официальной позиции Всемирной метеорологической организации (ВМО) с учетом округлений и погрешностей приборов XIX и первой половины XX века температурные рекорды Верхоянска и Оймякона фактически можно считать равными. Однако в отличие от Верхоянска, в Оймякон легко добраться на автомобиле из Якутска, поэтому именно за Оймяконом закрепился статус «туристического полюса холода». На въезде в село установлена стела с неофициальным историческим рекордом -71,2 °C, который зафиксировал в 1926 году ученый-геолог Сергей Обручев, сын Владимира Обручева, который также был ученым-геологом, а кроме того, еще и писателем-фантастом. Примечательно, что именно в 1926 году был опубликован знаменитый роман Владимира Обручева «Земля Санникова».
• В 1991 году автоматическая метеостанция «Клинк» в Гренландии передала данные о температуре -69,6 °C, формально став самым морозным местом Северного полушария. В 2020 году эксперты ВМО перепроверили архивы и признали корректность сделанных измерений. Важно отметить, что гренландская станция находится на огромном безжизненном леднике. Поэтому для температурных рекордов Верхоянска и Оймякона ВМО ввела отдельную формулировку: «Самая низкая температура для постоянно обитаемых мест».

Чем опасен сильный мороз

Когда мы думаем об опасности холода, в воображении часто возникают бескрайние снежно-ледяные пустыни. Но коварство природы заключается в том, что гипотермия — критическое переохлаждение организма — может наступить и при плюсовой температуре. Когда на улице ветрено и сыро, а человек одет не по погоде, истощен или недостаточно акклиматизирован, его тело начинает стремительно терять тепло уже при +4 – +10 °C. Что касается морозов, то они сильно снижают наши «запасы прочности», многократно ускоряя опасные процессы, из-за чего тяжелое общее переохлаждение может развиться за несколько десятков минут.

На начальном этапе гипотермии температура тела падает ниже 35 °C, из-за чего организм переходит в «экстренный» режим. Он сильно сужает сосуды на периферии, чтобы направить как можно больше теплой крови к сердцу и мозгу. Одновременно с этим человек начинает сильно дрожать — так мышцы пытаются выработать тепло. Если охлаждение тела продолжается, дрожь исчезает, появляются апатия, сонливость и спутанность сознания. Это самый опасный момент — замерзающему кажется, что ему стало теплее. Но в действительности мозг попросту начинает терять контроль, и изнуренный организм расширяет сосуды, вызывая прилив крови к коже.

Чтобы избежать гипотермии, медики и эксперты по выживанию в экстремальных условиях рекомендуют придерживаться нескольких простых правил. Пожалуй, важнейшее из них — надевать три слоя одежды.

• Первый слой — влагоотводящий. Синтетическое термобелье, правильно подобранное по размеру, отводит пот от тела, предотвращая эффект «ледяного компресса».
• Второй слой — теплоизолирующий. Флисовая толстовка или шерстяной свитер помогают удержать тепло, выделяемое телом.
• Третий слой — защитный. Пуховик из ветрозащитной и водонепроницаемой ткани защищает первые два слоя от воздействий внешней среды.

Мороз в вопросах и ответах

1. Что такое мороз?

Мороз — это состояние атмосферы, при котором ее молекулы замедляют свое движение, а вода начинает замерзать.

2. При какой температуре начинается мороз?

Физическая граница мороза — это любая минусовая температура, то есть ниже 0 °C.

4. Как формируется морозная погода?

На локальном уровне морозная погода формируется при сочетании трех факторов: ясного неба, отсутствия ветра и сухого воздуха.

5. Откуда в Россию приходят сильные морозы?

Экстремальные морозы в среднюю полосу зачастую приносят воздушные потоки из Арктики и Сибири.

6. Почему при антициклоне зимой часто бывает морозно?

Антициклон разгоняет облака, сводя парниковый эффект к минимуму, а также приносит штиль, не позволяя воздуху перемешиваться.

7. Почему ясная ночь холоднее облачной?

Относительно плотные облака задерживают тепловое излучение, идущее от поверхности, тогда как в ясную ночь подавляющая часть тепла улетает в космос.

8. Почему перед рассветом температура часто минимальна?

Так как Земля отдает свое тепло на протяжении всей долгой ночи, к рассвету потери энергии достигают своих пиковых значений, а затем солнечные лучи снова начинают согревать планету.

9. Усиливает ли мороз сильный ветер?

С физической точки зрения, ветер не усиливает мороз, однако он сдувает тонкий тепловой слой вокруг нашего тела и ускоряет испарение влаги с кожи, из-за чего холод ощущается гораздо сильнее.

10. Почему в низинах бывает холоднее, чем на возвышенностях?

Остывающий воздух становится плотным и тяжелым, поэтому он стекает по склонам вниз и скапливается в долинах и оврагах.

11. Как снег влияет на температуру воздуха?

Устоявшийся снежный покров работает как огромное зеркало, отражая до 90% солнечных лучей, из-за чего поверхность не может нормально прогреться.

12. Почему после снегопада иногда становится теплее?

При формировании снежинок в облаках физически выделяется тепло, а циклоны, приносящие снегопады, зарождаются в регионах с относительно более теплым воздухом.

13. Где в России самые сильные морозы?

Самые сильные морозы в России фиксируются в Якутии, где из-за удаленности от океанов устанавливается резко континентальный климат.

14. Какая самая низкая температура зарегистрирована в России?

Официальный температурный антирекорд был зафиксирован на метеостанции Верхоянска в 1892 году: -67,8 °C. 

15. Чем сильный мороз опасен для человека?

Сильный мороз грозит обморожением открытых незащищенных участков тела, а также может привести к гипотермии — критическому переохлаждению организма.

***

Как мы могли увидеть, мороз представляет собой нечто большее, чем сухие цифры на термометре. Закономерности небесной механики, физика земной атмосферы и наши собственные биологические особенности работают в тесной связке. От них зависит как проявление мороза, так и его субъективное ощущение. В нашей стране мороз испокон веков является неотъемлемой частью культуры и символом испытания человека на прочность. Помните о том, как важно соблюдать правила погодной безопасности, и тогда самые суровые холода подарят широкие возможности для увлекательных зимних приключений.

Автор текста Иван Стефанов